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高温固気二相流の伝熱特性を評価しあるいはその伝熱促進機構を解明するためには、粒子の温度の位置と時間による変化を正確に把握することが必要である。本研究は高温固気二相流中に添加された粒子の温度を微視的に計測する蛍光法温度計を開発し、これを用いて粒子の温度履歴を評価することを目的としており、その研究計画の初年度にあたる本年度は、固気二相流中で移動する微細(〜数100μm)粒子の温度計測に適合した蛍光温度計を構築した。
固気二相流中の粒子温度を計測するためには、粒子の大きさに相当する空間分解能が要求されるとともに、二相流中を移動する粒子に対応するため温度計測に要する時間が短いことが必要とされる。特に後者は蛍光体をパルス的に励起した際に発生する蛍光の減衰特性の温度依存性から温度を求める蛍光温度計には厳しい条件であると言える。そこで本研究では、2本のレーザビームの交差部に生じる干渉縞をブラッグセル(光周波数シフタ)を用いて交差部内で高速に移動させることによって測定体積1mm^3程度、励起光断続周波数1MHzの測定部を作る方法を提案・開発し、固気二相流中の粒子温度測定に蛍光温度計を適用する目処をつけた。また、測定体積内にある粒子の温度に相関する粒子(蛍光体)の蛍光寿命を評価するために、従来の時間計測に代えて蛍光と励起光との位相差を計測する位相法を応用することを提案して、信号処理系の高速化を図った。なお、この計測系では添加粒子による励起光の散乱光周波数からLDVの原理に基づいて粒子の移動速度をも同時に計測することができ、高温固気二相流添加粒子の温度履歴計測には好適な手法である。
この計測系を用いて固気二相流を模した蛍光体粒子分散平板の粒子温度と速度の同時計測を試みた結果、条件さえ整えば時間平均速度は勿論、変動速度・温度の計測も可能であることが明らかとなった。
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